来电只是爱情的专利? NO!有机电池也拥有这个权利

随着地球石油资源的日渐衰减，新能源领域愈发的被重视起来，尤其在科技日益进步的今天，发展速度之快也令人舌挢不下。

其中有机太阳能电池作为新能源的一种，也发展火热。从1986年C.W.Tang首次提出了把给体材料和受体材料分别置于两层中的双层器件结构，能够做到接近1%的效率，到现在2020年1月丁黎明教授报道了有机太阳能电池的最高效率18.22%，效率增长突飞猛进，本文将针对各类有机太阳能电池进行总结。

1、二元组分效率最高值--18.22%

丁黎明教授带领的团队近日有了重大突破，据报道，作者合成了一个基于融合环受体单元DTBT的D-A共聚物供体D18。其中D18空穴迁移率较高，达到1.59×10^-3 cm² V^-1 s^-1。更有利于达到空穴和电子迁移率的平衡，因此作者制备了ITO/PEDOT:PSS/D18:Y6/PDIN/Ag结构的太阳能电池，通过优化D/A比，活性层厚度，以及一系列的后处理：添加剂含量和溶剂气相退火(SVA)时间，从而达到一个较优的效率，最佳效率达到的PCE为18.22%，Voc为0.859 V， Jsc为27.70 mA cm^-2， FF为76.6%。这项工作表明了基于融合环受体单元DTBT共聚物给体具有巨大的潜力，其中D18具有1.98 eV的宽频带隙，将会在三元太阳能电池和串联太阳能电池有很好的应用前景，这也许打开了通往效率更高途径的大门。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.01.001

2、三元组分有机太阳能电池--效率最高值已经达到17%

Advanced Materials在2019年9月31日报道了三元组分有机太阳能电池的最高效率17.0%。其中通讯作者为Thomas D. Anthopoulos，来自于阿卜杜拉国王科技大学。作者首先利用液体来剥离二维过渡金属二硫化物，然后将其作为有机太阳能电池中的空穴传输层，进而探究其对光伏性质的影响。通过一系列的实验，结果发现，剥离二维过渡金属二硫化物制成的悬浮液可以直接涂在透明氧化铟锡(ITO)电极上，这样就能明显的改变有机太阳能电池的光伏性质，不需要在进行其他后处理。同时，作者对比了含有WS₂的空穴传输层比MoS₂的区别，结果发现，含有WS₂的空穴传输层更加均一。另一方面，从光伏性质也可以发现，含有WS₂的空穴传输层具有更高的光电转换效率，同时FF（填充因子）和Jsc(短路电流密度) 显著提高。以WS₂为空穴传输层的，以PBDB-T-2F:Y6:PC₇₁BM为活性层材料的三元组分有机太阳能电池，其PCE最高为17%，FF为78%，开路电压为0.84 V， Jsc为26 mA cm⁻²。同时作者还分析了器件性能提高的原因，通过测试变光强电流和变光强电压曲线进行载流子复合特性的分析，数据结果显示，以WS₂为空穴传输层的有机太阳能电池性能的提高很可能是由于有利的光子结构和双分子复合损失的减少。

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201902965

3、Science：有机太阳能叠层电池效率的领跑者

Science在2018年9月14日报道了有机叠层太阳能电池的最高效率—17.3%，其中作者是南开大学化学学院陈永胜教授团队、中科院国家纳米科学中心丁黎明教授、华南理工大学叶轩立教授研究团队合作。值得强调的是叠层效率的最高效率到目前为止仍然还是17.3%。在当时可以说是实现了很大的突破。首先作者运用模型筛选材料适合串联太阳能电池的活性材料。模拟结果发现合适的后电池活性材料有以下要求，该材料的吸收截止最好在1050到1150纳米之间，然而这类材料往往都会有巨大的电压损失，经过筛选发现只有少数材料可以做到高Js，适合后电池。选定材料后，他们以在不同波长具有良好互补吸收的PBDB-T:F-M和PTB7-Th:O6T-4F:PC₇₁BM分别作为前电池和后电池的活性层材料，最终使得PCE达到17.36%，Voc为1.642 V， FF值为73.7%，Jsc为14.35 mA/cm²，经国家太阳能光伏产品质量监督检验中心验证，PCE值为17.29%。

另外作者还做出了自己的预测：在最佳EQE为80%、Eloss为0.45 eV和FF为0.75的情况下，PCE >25%应该是可以实现的。另外结合到OPV的其他优势，如果OPV的稳定性问题能够得到解决的话，那么有机太阳能电池技术在未来的工业应用中应该具有一定的竞争力。

文献链接：

http://science.sciencemag.org/content/361/6407/1094

4、全小分子有机太阳能电池--14.34%的光电转换效率

2019年11月26日，Nature Commun报道了全小分子有机太阳能电池达到14.34%，其中通讯作者是以国家纳米科学中心魏志祥研究员、吕琨研究员、瑞典林雪平大学高峰教授、西安交通大学马伟教授。作者指出小分子自身结晶性较为理想，但是较难控制，结晶性过强容易产生较大尺度的相分离，就不容易产生良好的相纯度和有序排布，从而使得全小分子形貌的优化较难调节，限制了光电转换效率（PCE）的提升。

魏志祥课题组选择平面性较好的五元稠环二噻吩并苯并二噻吩作为核心基团构筑了A-π-D-π-A型小分子给体ZR1分子，并选用了二噻吩作为π桥，代替常用的三噻吩π桥，以降低HOMO能级并增加分子的刚性；活性层受体选择Y6小分子，由于的吸收光谱相对较宽，具有24.34 mA cm⁻²的高Jsc。此外，TEM和RSoXS结果显示，ZR1:Y6共混到形成一个优化的层次形貌，这可能是由于ZR1具有的较高的结晶度。但是小分子的较强的结晶度一般增加了在混合膜中形成超大相分离域的可能性，从而导致低Jsc和FF值。所以在本研究发现，层次的存在形貌对电荷的分离和输运很重要，最终导致高PCE，在活性层形貌优化过程中，通过退火温度（110℃-140℃）的精细调节，实现了多级次形貌的有效调控。最终ZR1：Y6的器件达到了14.34％的最高能量转换效率（中国计量科学研究院认证效率为14.1％）。

文献链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-019-13292-1

5、刮涂制备效率超过15％的大面积有机太阳能电池

2019年12月23日，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室以黄飞教授为首的团队，制备了有机太阳能电池大面积器件（1cm²），获得了效率超过15%的，可以说是为工业化进一步又迈进了一步。大面积刮涂的有机太阳能电池效率一直偏低，主要是由于形貌的问题，作者以PM6:Y6作为活性层，通过一系列的实验，作者发现，当采用刮涂的工艺去加工器件时，所获得的小面积刮涂器件的效率才达到13.2%，而对应的通过旋涂仪旋涂出的器件的效率可以达到（15.8%）。进而，作者将当少量的聚合物n型半导体N2200添加到活性层体系中，所获得的小面积刮涂器件的效率可达到16%。作者进一步研究了N2200添加的作用，研究发现，当使用刮涂工艺时，活性层时容易发生聚集，主要是Y6容易形成较大的聚集体；引入N2200能够有效地拟制受体Y6的过度聚集，从而实现较好的相分离结构。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/eom2.12006

6、专家教授看待有机太阳能电池的发展

有机光伏效率发展到今天，还依然存在一些问题，让我们来看看专家学者怎么说：

南开大学陈永胜教授说：“依据我们提出的半经验模型预测，有机太阳能电池（叠层）的最高转化效率理论上可以达到20%以上。本次工作中，我们同时也对电池的寿命进行了初步试验，发现166天实验后电池效率仅降低4%。未来，我们将继续设计新的材料，在进一步提高能量转化效率的同时，针对电池寿命问题进行系统的实验，争取让有机太阳能电池早日从实验室走向实际应用。”

北京大学占肖卫教授：“我相信，器件效率超过20%指日可待。在未来的5至10年，非富勒烯受体有机太阳能电池可能实现产业化，走进百姓家。”

林雪平大学生物分子与有机电子学系冯高说：“有机太阳能电池在我们的日常生活中被广泛应用于物联网。”

PGO周元秘书长说：“光伏人有着百折不饶的精神，地方政府，协会，专家，尤其有一批有强烈社会责任感的企业家一直努力坚持，顶着压力，积极建言，竭力呼吁，因为，我们一直坚信我们的光伏事业符合习近平主席提出的青山绿水的伟大目标，一个国家需要稳定坚定的发展纲领与方向，同样，一个行业同样需要有一个稳定明确的政策，只有整个行业好了企业才能发展更好。”

7、从全球可再生能源投资趋势报告分析有机太阳能电池的发展

从上面效率的分析，我们可以看出有机光伏有着巨大的研究前景和应用前景，根据 2019《全球可再生能源投资趋势报告》显示：关于可再生能源领域，十年内超过2.5万亿投资，其中太阳能光伏领先，十年投资（2010-2019年）让新能源发电能力翻了两番，从414GW增至约1650GW，仅太阳能发电量就增加25倍，从25GW增至663GW。让我们期待有机光伏春天的来临吧！

数据引自：

https://www.sohu.com/a/340106885_749304

本文由Crystal供稿。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaorenVIP。